월간전기

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 권지민 교수팀은 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 노용영 교수팀과 공동으로 차세대 반도체 소재인 이황화몰리브덴의 결함을 200℃에서 제거하는 기술을 개발했다. 실리콘 반도체 공정과의 융합이 용이해져 차세대 초소형·저전력 전자 소자 개발을 가속화할 것으로 기대를 모은다. 또한 공정 단계마다 반복 적용이 가능해 대면적 웨이퍼 제조에서도 실용화될 수 있으며, 플렉서블 및 투명 전자소자 등 차세대 소자 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

손톱만 한 반도체 칩 하나에는 최소 수십억 개의 소자가 집적돼 있다. 이황화몰리브덴(이하 MoS2)은 칩의 집적도를 높이고, 누설전류를 잡아 발열 없는 저전력 반도체 칩을 만들 수 있을 것으로 기대되어 산업계의 관심을 받는 반도체 소재다.

MoS2은 원자 수준의 얇은 2차원 반도체로서, 댕글링 본드1)가 없어 단채널 효과에 강한 특성을 보이며, 차세대 전계 효과 트랜지스터의 n형 채널 물질로 주목받고 있다. 특히 BEOL(Back End of Line)과 호환되는 공정 기술과 결합될 경우, 실리콘 기반 반도체 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

그러나 실제 제조 과정에서 황(S) 원자의 손실이나 비이상적인 박막 증착으로 인해 황 결함이 필연적으로 발생하며, 이는 전자 트랩 상태를 형성하여 전기적 특성을 저하시키고 소자의 안정성을 저해하는 주요 요인으로 작용한다. 기존 연구에서는 다양한 결함 안정화 방법이 제안되었으나, 높은 공정 온도 요구 및 이종 원소 도입으로 인한 결정구조 불안정성 문제로 실용화에는 한계가 있었다.

MoS2을 실제 칩에 집적하는 과정에서 발생하는 결함을 저온에서 제거하는 기술은 상용화의 핵심 과제다. MoS2을 실리콘 소자 위에 증착하는 방식으로 활용하기 때문에, 이미 완성된 실리콘 소자가 열에 손상되면 안 되기 때문이다.

UNIST 권지민 교수 연구팀은 전자를 끌어당기는 성질을 지닌 벤젠티올(Benzenethiol) 자가정렬 단분자를 활용하여 MoS2 내 황 결함을 선택적이고 효과적으로 회복시키는 기술을 개발했다.

PFBT(Penta-fluoro-benzenethiol)라는 물질로 200℃에서 결함을 메워, MoS2의 몰리브덴 대 황의 원자비를 이론적 비율인 1:2에 가까운 1:1.98로 회복시킨 것이다.

MoS2은 박막 형태로 증착되는 과정에서 황 원자가 원래 있어야 할 자리가 듬성듬성 비는 결함이 발생해 실제로는 황과 몰리브덴의 비율이 1:1.68 정도로 합성된다. 결함은 전자의 흐름을 방해하기 때문에 반도체 성능과 내구성을 확보하려면 이 같은 결함을 메워 이론적 원자비에 가까운 상태로 회복시켜야만 한다.

제1 저자인 정학순 박사는 “결함 복구가 200℃ 이하에서 일어나기 때문에 기존 실리콘 반도체 BEOL 공정과도 호환 가능하다는 것이 가장 큰 장점”이라고 설명했다. BEOL 공정은 이미 기판에 증착된 소자들을 서로 연결하는 공정으로, 소자 손상을 방지하기 위해 350℃ 이하에서 이뤄진다.

회복 단계에 사용된 PFBT는 육각형 벤젠고리에 티올작용기(-SH)와 불소(F)가 붙어있는 구조다. 티올작용기에 포함된 황이 결함을 직접 메우고, 불소는 이 물질을 황 결함으로 유도한 뒤 황을 제외한 물질의 나머지 부분을 쉽게 분리하는 역할을 한다. 연구팀은 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 이 같은 화학 반응이 가능함을 확인했다. 또 X선 분광학 분석 결과, 저온에서 실제 황의 빈자리가 메워졌다.

결함이 메워진 MoS2로 트랜지스터 소자를 만들었을 때, 결함이 있는 경우보다 전하 이동속도가 2.5배 개선됐다. 전하 이동이 빠를수록 작동속도를 빠르게 할 수 있다. 소모 전력을 나타내는 지표인 ‘문턱전압 이하 스윙 값’도 40% 정도 줄었다. (62.5 mV·dec-1)

이번 연구에서 개발된 ‘저온 황 결함 회복 기술’은 MoS2 기반 전계 효과 트랜지스터의 성능과 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 200°C의 낮은 온도에서 결함을 복구할 수 있어 BEOL 공정과의 높은 호환성을 확보했으며, 이를 통해 실리콘 반도체 공정과의 융합이 용이해져 차세대 초소형·저전력 전자 소자 개발을 가속화할 것으로 기대된다.

또 해당 기술은 공정 단계마다 반복 적용이 가능하여 대면적 웨이퍼 제조에서도 실용화될 수 있으며, 플렉서블 및 투명 전자소자 등 차세대 소자 개발에도 활용될 가능성이 크다. 특히 ‘황 결함 제어’를 통해 고성능 트랜지스터뿐만 아니라 광전자 소자 및 센서 응용에서도 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 나아가, 본 연구에서 제시된 분자 설계 및 결함 제어 전략은 다른 2차원 반도체 소재에도 적용 가능하여, 차세대 반도체 산업 전반에 기여할 핵심 기술로 평가될 것으로 기대를 모은다.

권지민 교수는 “공정에서 발생하는 황 결함은 나노 스케일의 첨단 노드를 겨냥한 반도체 소자에서 큰 문제”라며 “개발한 유기 분자를 이용한 ‘저온 황 결함 회복기술’을 통해 앞으로 MoS2뿐만 아니라 다양한 차세대 반도체 소재의 결함 회복과 계면특성 개선 연구를 더욱 확장해 나아갈 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 UNIST의 정학순 박사와 POSTECH 화학공학과 김민규 연구원이 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP), 울산과학기술원의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노과학기술 분야의 권위 국제학술지인 『에이씨에스 나노(ACS Nano)』에 2월 18일 정식 출판됐다.

1.이황화몰리브덴(MoS2) : 몰리브데넘과 황 원자로 이루어진 대표적인 층상 구조의 2차원 반도체 소재. 원자 두께 수준의 얇은 구조를 가지고 있으며, 이론적으로 표면에 댕글링 본드가 존재하지 않아 이러한 표편 에너지 상태로 인해 야기되는 짧은 채널 효과(단채널 효과)에 대한 내성을 가진 것으로 알려져 있다.

2.단채널효과(Short Chanel Effect) : 소자의 채널이 짧아지면서 발생하는 반도체 성능 저하 현상. 채널은 반도체 소자 중 하나인 트랜지스터에서 전하가 흐르는 통로이다. 칩 안에 소자 집적도를 높이기 위해 소자의 크기를 나노 단위로 줄여가면 이 채널이 짧아지게 된다. 이러한 짧은 채널은 누설전류 증가, 문턱 전압 불안정, 전류 제어력 감소 등을 유발해 전력 소모를 증가시키고 칩의 성능을 떨어지게 만든다.

3.황 결함(Sulfur vacancy) : 전이금속황화합물에서 황 원자가 손실되면서 생기는 결정구조의 결함. 합성 과정, 전사, 금속 및 절연막 증착, 대기 중 노출 등의 요인으로 발생할 수 있다. 에너지 밴드 구조 내에서 주개(donor)와 유사한 에너지 레벨을 형성하거나 이와 비슷한 역할을 할 수 있는 원자 및 분자의 흡착 site로 작용될 수 있어, 소재의 신뢰성을 저하시키는 원인이 된다.

4.벤젠티올(Benzenethiol) : 벤젠고리에 티올(-SH) 작용기가 결합된 유기 화합물. 티올 그룹은 황 원자를 포함하고 있어 연구에서 필요한 황 결함을 회복하는데 핵심적인 역할을 수행한다.

5.BEOL(Back-End-of-Line) : BEOL은 반도체 제조 공정에서 트랜지스터와 같은 기본 회로가 형성된 후, 금속 배선 및 절연층을 추가하여 칩을 완성하는 후공정 단계를 의미한다. 기존 회로의 손상을 방지하기 위해 BEOL 공정에서는 350~450℃ 이하의 낮은 온도를 유지하는 것이 필수적이다. BEOL 호환은 온도의 측면에서 해당 범위 내에 이뤄지는 것을 의미한다.